2.3. Розрахунки технологічних сумішей для виготовлення в’яжучих матеріалів

2.3.1. Основні відомості про портландцементний клінкер

Склад портландцементного клінкеру характеризується: вмістом оксидів, що складають клінкер; значеннями коефіцієнта насичення та модулів; вмістом основних складників клінкерних мінералів. Вміст головних оксидів у портландцементному клінкері може коливатись у таких межах: СаО – 6267 %; SiO₂ – 2024 %; Al₂O₃ – 47 %; Fe₂O₃ – 25 %; MgO, SO₃ та ін. – 1,54 %.

Модульні характеристики клінкеру базуються на визначенні співвідношення між найважливішими оксидами. Спочатку користувалися гідравлічним або основним модулем m, який визначається відношенням основного оксиду до суми кислих оксидів, мас. %:

Гідравлічний модуль сировинної суміші портландцементу може коливатися у межах: m = 1,92,4.

Однак цієї характеристики було недостатньо, оскільки оксид кальцію зв’язується з кремнеземом, глиноземом та оксидом заліза (III) у різних співвідношеннях. Додатковими модульними характеристиками є силікатний (кремнеземний) та алюмінатний (глиноземний) модулі.

Силікатний модуль n визначається відношенням вмісту кремнезему до сумарного вмісту полуторних оксидів, мас. %:

. (2.7)

Силікатний модуль сировинної суміші портландцементу може коливатися у межах: n = 1,73,5.

Глиноземний модуль p представляє собою відношення вмісту оксиду алюмінію до вмісту оксиду заліза (III), мас. %:

. (2.8)

Глиноземний модуль сировинної суміші портландцементу може коливатися у межах: p = 1,03,0.

Згідно зі значеннями модулів неможливо судити про склад сполук, що синтезуються в клінкері та визначають його якість. Для більш повної характеристики клінкеру було введено терміни ступеня насичення, а також коефіцієнта насичення.

Ступінь насичення (в подальшому СН) характеризує співвідношення важливих оксидів у клінкері з урахуванням утворення різних мінералів. Поняття про ступінь насичення базується на основі складу «ідеального» клінкеру, що складається з високоосновних сполук – трикальцієвого силікату (3CaO·SiO₂), трикальцієвого алюмінату (3CaO·Al₂O₃) та дикальцієвого фериту (2CaO·Fe₂O₃).

Кількість оксиду кальцію, яка необхідна для утворення таких сполук, визначається з таких співвідношень. Для утворення однієї молекули трикальцієвого силікату одна молекула кремнезему повинна зв’язувати три молекули оксиду кальцію, або у молекулярних масах: 60 г SiO₂ зв’язує 3·56 = 168 г CaO. Таким чином, для зв’язування 1 % SiO₂ необхідно:

СаО.

Для утворення однієї молекули трикальцієвого алюмінату одна молекула глинозему повинна зв’язати три молекули оксиду кальцію, або у молекулярних масах: 102 г Al₂O₃ зв’язує 168 г СаО. Внаслідок чого для зв’язування 1 % Al₂O₃ необхідно:

СаО.

Аналогічно для утворення однієї молекули дикальцієвого фериту одна молекула заліза повинна зв’язати дві молекули оксиду кальцію, або в молекулярних масах: 160 г Fe₂O₃ зв’язує 112 г СаО. Таким чином, для зв’язування 1 % Fe₂O₃ необхідно:

СаО.

Загальна кількість оксиду кальцію, яка необхідна для утворення цих сполук, складе:

СаО = 2,8 SiO₂ + 1,65 Al₂O₃ + 0,7 Fe₂O₃.

У реальних процесах утворення «ідеального» клінкеру неможливо, тому в формулу вводиться коефіцієнт, який враховує неповноту насичення кислотних оксидів оксидом кальцію та можливість утворення низькоосновних сполук, ступінь насичення (СН):

CaO = CH (2,8 SiO₂ + 1,65 Al₂O₃ + 0,7 Fe₂O₃).

Таким чином, ступінь насичення визначається за формулою:

.

Для «ідеального» клінкеру СН = 1, для реального – СН <1.

Однак при використанні поняття ступеня насичення не враховується те, що при випалі в реальних умовах кислотні оксиди ведуть себе по-різному: глинозем та оксид заліза (III) утворюють первинні фази. Тому насичення вапном відбувається повністю, а кремнезем насичується не повністю та утворює не тільки трикальцієвий силікат (3CaO·SiO₂), але й дикальцієвий силікат (2CaO·SiO₂). Згідно з цим запропоновано відносити коефіцієнт, який враховує неповноту насичення вапном – коефіцієнт насичення (КН), тільки до SiO₂. У формулу було також введено оксид SO₃, який зв’язується з оксидом кальцію. При утворенні СаSO₄ для зв’язування 1 % SO₃ (аналогічно до наведених вище розрахунків для інших оксидів) необхідно:

СаО.

Таким чином формула має вигляд:

CaO = КH 2,8 SiO₂ + 1,65 Al₂O₃ + 0,7 Fe₂O₃ + 0,7 SO₃.

Згідно з цією формулою коефіцієнт насичення розраховується так:

.

Однак, у портландцементному клінкері найчастіше зустрічається не дикальцієвий ферит, а чотирикальцієвий алюмоферит, тому з урахуванням цього формула коефіцієнта насичення має вигляд:

. (2.9)

З урахуванням оксиду кальцію, який не вступив у реакцію утворення клінкеру, рівняння коефіцієнта насичення приймає вигляд:

,

де під формулою того чи іншого оксиду розуміють його наявність у портландцементному клінкері у процентах.

Коефіцієнт насичення сировинної суміші портландцементу КН може коливатись у межах 0,800,95.

Для характеристики реального клінкеру або сировинної суміші достатньо знати значення коефіцієнта насичення, силікатного та глиноземного модулів.

Вміст головних клінкерних мінералів у звичайному портландцементному клінкері може коливатися у таких межах:

3CaOSiO₂ – 40  60 %; 2CaOSiO₂ – 15  35 %;

3CaOAl₂O₃ – 4  14 %; 4CaOAl₂O₃Fe₂O₃ – 10  18 %.

Найбільш поширеним є спосіб розрахунку сировинної суміші за значенням коефіцієнта насичення та модулів.

Кількість сировинних компонентів повинна бути на одиницю більшою, ніж кількість заданих характеристик. Для розрахунків та контролю правильності обчислень хімічний склад сировинних матеріалів приводять до суми, яка дорівнює 100 %. Для цього помножують вміст кожного оксиду на коефіцієнт k, який визначається шляхом ділення 100 на суму всіх оксидів. Якщо сума всіх оксидів відрізняється від 100 % більш ніж на 1 %, то необхідно провести перевірний аналіз.

Для спрощення розрахунків вміст одного з компонентів (того, що міститься у найменшій кількості) приймається за одиницю. Всі обчислення ведуть з точністю до 0,01 %. У розрахункових формулах прийняті такі скорочені позначення: СаО – С; SiO₂ – S; Al₂O₃ – А; Fe₂O₃ – F. Індекс біля наведених букв вказує на компонент, якому належить той чи інший оксид. Вміст оксидів у готовому продукті позначено буквами без індексу, а у складі сировинної суміші – буквами з індексом «0».